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        基于知識(shí)本體的HAZOP信息標(biāo)準(zhǔn)化框架

        2020-06-29 04:06:36高東肖遙張貝克許欣吳重光
        化工進(jìn)展 2020年6期
        關(guān)鍵詞:后果本體偏差

        高東,肖遙,張貝克,許欣,吳重光

        (1 北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,北京100029;2 北京德普羅爾科技有限公司,北京100029)

        危險(xiǎn)與可操作性分析(HAZOP)于20 世紀(jì)70年代被提出,是一種以系統(tǒng)工程為基礎(chǔ)的危險(xiǎn)分析方法。該方法采用表格式分析形式,具有專家分析的特性,主要適用于連續(xù)性生產(chǎn)系統(tǒng)的安全分析與評(píng)價(jià),是一種啟發(fā)性的、實(shí)用性的定性分析方法。由于該方法具備“集體智慧”、“引導(dǎo)詞激發(fā)創(chuàng)新思維”以及“系統(tǒng)化與結(jié)構(gòu)化審查”等特點(diǎn),自誕生之日起,就被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外各個(gè)行業(yè)的安全評(píng)價(jià)、安全分析中[1-7]。HAZOP 分析一般按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61882展開,該標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)規(guī)定了HAZOP分析的基本定義、基本原理、分析步驟、流程等。

        基于人工的分析方法存在工作量大、耗時(shí)長(zhǎng);嚴(yán)重依賴專家經(jīng)驗(yàn);分析結(jié)果完備性難以保證;知識(shí)的繼承管理困難等問(wèn)題,眾多學(xué)者開始對(duì)計(jì)算機(jī)輔助分析方法或計(jì)算機(jī)自動(dòng)分析方法展開研究,通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)輔助或替代人工進(jìn)行HAZOP,以提高安全分析的效率,獲得更加準(zhǔn)確的結(jié)果[8-15]。

        無(wú)論是基于人工的分析方法還是基于計(jì)算機(jī)輔助或自動(dòng)的分析方法,在分析結(jié)果的表達(dá)存儲(chǔ)上均存在各自的缺點(diǎn)。

        (1)基于人工的分析方法通過(guò)專家會(huì)議的方式進(jìn)行,分析結(jié)果以表格的形式保存,不同專家、不同項(xiàng)目做出的分析結(jié)果表達(dá)形式缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),在不同項(xiàng)目、團(tuán)隊(duì)以及生產(chǎn)的設(shè)計(jì)、施工、生產(chǎn)、維護(hù)等不同階段進(jìn)行信息的傳遞、復(fù)用、共享時(shí)會(huì)造成巨大的不便,耗費(fèi)大量的人力物力成本。

        (2)基于計(jì)算機(jī)輔助或自動(dòng)的分析方法,雖然采用了計(jì)算機(jī)軟件來(lái)進(jìn)行分析與結(jié)果存儲(chǔ),分析結(jié)果同樣缺乏統(tǒng)一的表達(dá)形式,同時(shí)方法不具備知識(shí)自動(dòng)識(shí)別能力。因此不同軟件之間難以實(shí)現(xiàn)信息復(fù)用、共享;同時(shí)同一軟件在不同項(xiàng)目、團(tuán)隊(duì)以及生產(chǎn)的設(shè)計(jì)、施工、生產(chǎn)、維護(hù)等不同階段難于識(shí)別、復(fù)用。因此,針對(duì)安全分析相關(guān)信息標(biāo)準(zhǔn)化的研究成為一個(gè)重要的研究課題。

        本體(ontology)是哲學(xué)上的一個(gè)概念。在哲學(xué)的范疇來(lái)說(shuō),知識(shí)本體是客觀存在的一個(gè)系統(tǒng)的介紹或說(shuō)明。它描述了系統(tǒng)的基本概念和系統(tǒng)間的相互關(guān)系,由于具有共享和再利用知識(shí)庫(kù)的功能,知識(shí)本體被應(yīng)用于很多方面,比如信息組織、信息研究等。知識(shí)本體一般分為通用知識(shí)本體與領(lǐng)域知識(shí)本體[16-18]。作為領(lǐng)域知識(shí)本體之一,國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO15926 是過(guò)程工廠包括石油與天然氣生產(chǎn)設(shè)施生命周期數(shù)據(jù)集成的標(biāo)準(zhǔn),基于知識(shí)本體構(gòu)建,用于計(jì)算機(jī)知識(shí)存儲(chǔ)與構(gòu)造知識(shí)庫(kù)的標(biāo)準(zhǔn)[19]。以此標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ),一些學(xué)者進(jìn)行了安全分析信息標(biāo)準(zhǔn)化的研 究。 Lee[20]將FMEA (failure mode and effect analysis)與知識(shí)本體相結(jié)合,并構(gòu)建了基于FMEA和知識(shí)本體的診斷模型,在故障模式與失效分析中進(jìn)行了嘗試。Kuraoka 等[21]提出了一種基于本體論的HAZOP 分析信息表達(dá)方式,嘗試采用本體對(duì)HAZOP信息進(jìn)行表達(dá)。針對(duì)HAZOP分析常見的因素尤其是設(shè)備進(jìn)行了基于知識(shí)本體的標(biāo)準(zhǔn)化,給出了安全分析元素的標(biāo)準(zhǔn)化表達(dá)。之后在此基礎(chǔ)上,Batres 等[22]針對(duì)HAZOP 分析,提出了一種hazard scenario graph用于安全分析結(jié)果的表達(dá),該方法以ISO15926 為基礎(chǔ)定義了安全分析中常見的元素,如行為、事件、原因、后果等,并提供了相應(yīng)的環(huán)境工具。但該危險(xiǎn)劇情圖建模過(guò)程較為復(fù)雜且需要人工將危險(xiǎn)劇情一步一步建立到模型中,工作量很大、效率低,且嚴(yán)重依賴于建模人員的水平。

        在前人研究的基礎(chǔ)上基于ISO15926 標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)化的表達(dá),吳重光等[23]分析、抽提了HAZOP 分析方法的自身特點(diǎn)、規(guī)律,提出了一種新的過(guò)程安全分析信息標(biāo)準(zhǔn)化方法。該方法以HAZOP 分析中最為關(guān)鍵的危險(xiǎn)事件傳播路徑作為標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)象,針對(duì)危險(xiǎn)事件傳播路徑給出了描述、表達(dá)方法,即劇情對(duì)象模型SOM(scenario object model)。采用劇情對(duì)象模型來(lái)描述石油化工過(guò)程中各個(gè)變量、設(shè)備、事件、原因、后果之間的影響關(guān)系。該模型基于知識(shí)本體實(shí)現(xiàn),解決信息共享的問(wèn)題。以劇情對(duì)象模型為基礎(chǔ),吳重光等[24-25]開發(fā)了圖形化工具,實(shí)現(xiàn)了劇情對(duì)象模型的圖形化表達(dá),便于建模、分析,并將該方法、工具應(yīng)用到實(shí)際HAZOP分析的項(xiàng)目中。

        上述關(guān)于HAZOP 分析信息標(biāo)準(zhǔn)化工作均基于傳統(tǒng)的HAZOP 分析流程進(jìn)行,通過(guò)人工或者計(jì)算機(jī)輔助的方式進(jìn)行離線的HAZOP 分析。為了充分利用HAZOP 分析信息以及實(shí)時(shí)獲得的數(shù)據(jù),Gao等[26]提出一種在線安全分析方法,并基于知識(shí)本體實(shí)現(xiàn)了信息的標(biāo)準(zhǔn)化。

        雖然HAZOP 知識(shí)本體的描述與其他領(lǐng)域知識(shí)本體描述的方式、原理類似,但HAZOP 信息的描述呈現(xiàn)以下特點(diǎn)。

        (1)HAZOP 的對(duì)象是石油化工行業(yè),其自身涵蓋了工廠整個(gè)生命周期中工程、采購(gòu)、建設(shè)、操作等大量的數(shù)據(jù)類型與信息,非常復(fù)雜。

        (2)HAZOP 知識(shí)本體需要針對(duì)HAZOP 自身的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)流程建立,與傳統(tǒng)描述靜態(tài)關(guān)系的其他領(lǐng)域知識(shí)本體相比,HAZOP 的知識(shí)本體更強(qiáng)調(diào)類之間的邏輯影響關(guān)系,比如原因、后果之間的對(duì)應(yīng)、事故的傳播路徑等。

        在HAZOP 分析信息標(biāo)準(zhǔn)化方向,雖然已有不少研究成果,但目前的方法還存在以下問(wèn)題。

        (1)對(duì)HAZOP 分析中關(guān)鍵信息抽提、歸納還不完全,知識(shí)本體對(duì)HAZOP 信息的歸納表達(dá)仍然有待完備。

        (2)HAZOP信息標(biāo)準(zhǔn)化的過(guò)程依賴手工建模,建模過(guò)程復(fù)雜、工作量大、效率低,而且模型的水平嚴(yán)重依賴建模人員的水平。

        (3)所形成的計(jì)算機(jī)模型往往也只有特定的軟件才能識(shí)別、打開,嚴(yán)重影響HAZOP 分析信息的共享、復(fù)用。

        為解決上述問(wèn)題,提出基于知識(shí)本體的HAZOP信息標(biāo)準(zhǔn)化框架,實(shí)現(xiàn)了HAZOP分析信息表達(dá)的標(biāo)準(zhǔn)化以及自動(dòng)化,達(dá)到了信息有效的共享與復(fù)用。本文首先介紹了當(dāng)前HAZOP 分析及其標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程中存在的問(wèn)題,其次介紹基于知識(shí)本體的HAZOP標(biāo)準(zhǔn)化信息模型,實(shí)現(xiàn)了HAZOP分析中所有關(guān)鍵信息、因素的標(biāo)準(zhǔn)化表達(dá),然后介紹了基于此模型的信息標(biāo)準(zhǔn)化方法,實(shí)現(xiàn)針對(duì)人工HAZOP分析結(jié)果的自動(dòng)識(shí)別與標(biāo)準(zhǔn)化,最后將該方法應(yīng)用到某油品合成裝置的安全分析中,將傳統(tǒng)的HAZOP 分析結(jié)果自動(dòng)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)化的分析信息模型,驗(yàn)證了方法的有效性。

        1 基于知識(shí)本體的HAZOP 標(biāo)準(zhǔn)化信息模型

        1.1 基于偏差(事故)傳播路徑的HAZOP元素

        無(wú)論是基于人工的HAZOP 還是計(jì)算機(jī)輔助的HAZOP 方法,其本質(zhì)都是基于“偏差”進(jìn)行,也就是對(duì)偏離正常工藝設(shè)計(jì)條件的情況(包括設(shè)備失效、人為誤操作等)進(jìn)行分析,尋找該偏差可能導(dǎo)致的事故、導(dǎo)致該偏差的原因、傳播路徑以及需要采取的措施等等。因此,HAZOP 信息就是由大量的偏差(事故)傳播路徑構(gòu)成的。傳播路徑包括涉及的偏差、中間事件、原因、后果、現(xiàn)有安全措施、風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、建議措施等,構(gòu)成了HAZOP 分析的全部元素。如圖1所示。

        各個(gè)元素的主要定義如下。

        偏差傳播路徑,構(gòu)成HAZOP結(jié)果的基本單元,包含偏差、中間事件、原因、后果、現(xiàn)有防護(hù)措施、建議以及風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)等。HAZOP 分析結(jié)果由一個(gè)或多個(gè)偏差傳播路徑組成。

        圖1 基于偏差傳播路徑的HAZOP元素

        偏差,與設(shè)定的工藝條件的偏離。偏差由工藝參數(shù)和引導(dǎo)詞構(gòu)成。工藝參數(shù),與過(guò)程有關(guān)的物理或化學(xué)特性,包括具體工藝變量如溫度、壓力、液位、流量等,以及抽象的過(guò)程如混合、反應(yīng)、濃度、pH 等。引導(dǎo)詞,用于定性或定量設(shè)計(jì)工藝指標(biāo)的簡(jiǎn)單詞語(yǔ),引導(dǎo)識(shí)別工藝過(guò)程的危險(xiǎn),常見的引導(dǎo)詞包括多、少、高、低、沒有等。

        原因,產(chǎn)生偏差的原因包括設(shè)備故障、人為誤操作、設(shè)備失效等。

        后果,偏差傳播最后導(dǎo)致的后果包括爆炸、火災(zāi)、設(shè)備損壞、人員傷亡等。

        中間事件,偏差產(chǎn)生后,傳播路徑中從原因到后果之間的事件。例如誤操作關(guān)閉反應(yīng)器的冷卻水閥門為原因,反應(yīng)器爆炸為后果的話,那么,反應(yīng)器溫度升高、反應(yīng)器壓力升高都是中間事件。

        防護(hù)措施,當(dāng)前系統(tǒng)中存在的設(shè)備或系統(tǒng),用于防止或減輕偏差的傳播、不利后果的發(fā)展發(fā)生。

        建議,針對(duì)偏差傳播導(dǎo)致的不利后果以及已有的防護(hù)措施,還需要加入的設(shè)備或采取的措施,如加裝控制系統(tǒng)、加裝檢測(cè)儀表等。

        風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),由偏差導(dǎo)致不利后果的頻率與嚴(yán)重度確認(rèn)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),通常為1~5 級(jí)。5 級(jí)最為嚴(yán)重,用于描述當(dāng)前偏差傳播路徑引起后果的頻率與嚴(yán)重度。也有采用L、M、H三級(jí),H為最嚴(yán)重。

        1.2 基于知識(shí)本體的HAZOP標(biāo)準(zhǔn)化信息模型

        上述基于偏差(事故)傳播路徑的HAZOP 元素基本涵蓋了傳統(tǒng)HAZOP 分析中常見的元素。將上述元素按照知識(shí)本體的概念進(jìn)行歸類,歸類按照以下原則進(jìn)行。

        (1)類是知識(shí)本體的基本概念,將HAZOP 中概念性元素包括傳播路徑、偏差、建議措施等采用類的方式來(lái)描述。

        (2)對(duì)于簡(jiǎn)單元素,如風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、路徑編號(hào)等,直接作為類的屬性。

        (3)對(duì)于可以進(jìn)一步抽象的元素,進(jìn)一步抽提共性,形成父類、子類的關(guān)系。如HAZOP的原因、后果以及中間事件都以事件類作為父類,因?yàn)樗鼈兌伎梢圆捎脝误w+活動(dòng)的形式來(lái)描述。

        最后得到基于知識(shí)本體的HAZOP 標(biāo)準(zhǔn)化信息模型。如圖2所示。

        圖2 基于知識(shí)本體的HAZOP標(biāo)準(zhǔn)化信息模型

        該模型由偏差傳播路徑類組成,偏差傳播路徑類又包含偏差類、事件類、措施建議類以及風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、路徑編號(hào)等屬性組成。

        偏差傳播路徑類,代表HAZOP 中偏差傳播路徑的概念。

        偏差類,代表HAZOP 中偏差的概念,包含工藝變量類與引導(dǎo)詞類。工藝變量類主要包括:溫度、壓力、液位、物位、流量、pH、電壓、電流、黏度、頻率、速度、反應(yīng)等。引導(dǎo)詞類代表了HAZOP 中常見的引導(dǎo)詞,包括沒有(否)、多(大、高)、少(小、低)、多余(以及)、部分(局部)、相反(反向)以及其他(異常)等。

        事件類,代表了偏差傳播中發(fā)生的“事件”。具體又分為3 種事件:原因事件類、后果事件類、中間事件類。原因事件類代表了HAZOP中的原因,后果事件類代表了HAZOP 中的后果,中間事件類代表了傳播路徑中從原因到后果之間的事件。無(wú)論是原因事件、后果事件還是中間事件,都可以采用單體+活動(dòng)來(lái)描述。單體為本體概念中的某個(gè)實(shí)體、事物,活動(dòng)為本體概念中的某個(gè)行為、動(dòng)作。單體+活動(dòng)可以用來(lái)描述事件。以“反應(yīng)器爆炸”此后果事件為例,反應(yīng)器為單體,爆炸為活動(dòng);又以“精餾塔液位升高”此中間事件為例,精餾塔液位為單體,升高為活動(dòng)。即所有的事件都可以采用單體+活動(dòng)來(lái)表述。

        措施建議類,代表了HAZOP 中針對(duì)每條傳播路徑的現(xiàn)有的防護(hù)措施以及針對(duì)偏差傳播的建議。包括安全措施類與建議類。安全措施類包括控制系統(tǒng)、緊急停車系統(tǒng)、報(bào)警等。建議類由活動(dòng)+單體組成。以“增加液位控制系統(tǒng)”建議為例,增加為活動(dòng),液位控制系統(tǒng)為單體。即所有的建議類都可以采用活動(dòng)+單體來(lái)表述。

        風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),為偏差傳播路徑類的屬性,描述風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。采用三級(jí)制:L、M、H。L 對(duì)應(yīng)5 級(jí)風(fēng)險(xiǎn)中的1級(jí)、2級(jí);M對(duì)應(yīng)5級(jí)風(fēng)險(xiǎn)中的3級(jí);H對(duì)應(yīng)5級(jí)風(fēng)險(xiǎn)中的4級(jí)、5級(jí)。

        路徑編號(hào),為偏差傳播路徑類的屬性,描述該路徑的編號(hào)。

        2 基于知識(shí)本體的安全分析信息標(biāo)準(zhǔn)化方法

        需要實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的HAZOP 信息分為兩類:一類是新開展的HAZOP 分析的信息,此類信息可以在進(jìn)行分析時(shí),就采用支持上述標(biāo)準(zhǔn)化模型的軟件進(jìn)行信息的表達(dá)與存儲(chǔ);另一類為大量已經(jīng)完成的HAZOP 分析報(bào)告,針對(duì)此類報(bào)告,需要對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別、分類,形成標(biāo)準(zhǔn)化的信息。其中,已經(jīng)完成的HAZOP 分析報(bào)告數(shù)量龐大,報(bào)告的形式雖有標(biāo)準(zhǔn)格式但具體內(nèi)容、書寫風(fēng)格各異,大量的信息無(wú)法復(fù)用、共享,是實(shí)現(xiàn)安全分析信息標(biāo)準(zhǔn)化的難點(diǎn)。

        2.1 基于知識(shí)本體的安全分析信息標(biāo)準(zhǔn)化算法

        針對(duì)此問(wèn)題,以基于知識(shí)本體的HAZOP 標(biāo)準(zhǔn)化信息模型為基礎(chǔ),提出HAZOP信息標(biāo)準(zhǔn)化方法,算法整體流程如圖3所示。

        HAZOP 分析中,將待分析工藝按照工藝單元等劃分成不同的節(jié)點(diǎn),對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)中的變量選擇引導(dǎo)詞形成偏差,分析原因、后果、中間事件、安全措施、建議,確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)等,形成一條條HAZOP 分析記錄即偏差傳播路徑。因此,對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化也按照不同的節(jié)點(diǎn)中的不同記錄依次處理。對(duì)每一條記錄的標(biāo)準(zhǔn)化主要包括以下幾個(gè)步驟。

        (1)提取識(shí)別記錄中的工藝參數(shù)。讀取記錄中的工藝參數(shù),將其按照HAZOP 標(biāo)準(zhǔn)化信息模型中工藝參數(shù)類型進(jìn)行分類。

        圖3 HAZOP信息標(biāo)準(zhǔn)化方法

        (2)提取識(shí)別記錄中的引導(dǎo)詞。讀取記錄中引導(dǎo)詞,將其按照HAZOP 標(biāo)準(zhǔn)化信息模型中引導(dǎo)詞類型進(jìn)行分類。

        (3)提取識(shí)別記錄中的原因。讀取記錄中的原因,并將其識(shí)別為一條或者多條HAZOP 標(biāo)準(zhǔn)化信息模型的原因類的結(jié)構(gòu),即單體+活動(dòng)的模式。

        (4)提取識(shí)別記錄中的后果。讀取記錄中的后果,并將其識(shí)別為一條或者多條HAZOP 標(biāo)準(zhǔn)化信息模型的后果類的結(jié)構(gòu),即單體+活動(dòng)的模式。

        (5)提取識(shí)別記錄中的中間事件。讀取記錄中的中間事件,并將其識(shí)別為一條或者多條HAZOP標(biāo)準(zhǔn)化信息模型的中間事件類的結(jié)構(gòu),即單體+活動(dòng)的模式。

        (6)提取識(shí)別記錄中的安全措施。讀取記錄中的安全措施,并將其識(shí)別為一條或者多條HAZOP標(biāo)準(zhǔn)化信息模型的安全措施類的結(jié)構(gòu)。

        (7)提取識(shí)別記錄中的建議。讀取記錄中的建議,并將其識(shí)別為一條或者多條HAZOP 標(biāo)準(zhǔn)化信息模型的建議類的結(jié)構(gòu),即活動(dòng)+單體的模式。

        (8)提取識(shí)別記錄中的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。讀取識(shí)別記錄中的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

        (9)將上述信息形成一條完整的標(biāo)準(zhǔn)化偏差傳播路徑。

        在各個(gè)步驟知識(shí)提取與識(shí)別過(guò)程,均采用BiLSTM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練、標(biāo)注、識(shí)別。長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)(long short-term memory,LSTM)是一種循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),是為了解決一般的RNN(循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))存在的長(zhǎng)期依賴問(wèn)題而專門設(shè)計(jì)出來(lái)的;BiLSTM 分為前向LSTM 和后向LSTM,將訓(xùn)練數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為字向量形式,字向量的大小可以根據(jù)需要訓(xùn)練成固定大小。本文將訓(xùn)練數(shù)據(jù)利用Word2Vec 模型訓(xùn)練成了100維,然后將每個(gè)字的向量輸入到前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和后向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),使得前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包含了句子正方向每個(gè)詞與詞之間的關(guān)系,后向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包含了句子反方向上每個(gè)詞與詞之間的關(guān)系,然后將訓(xùn)練的結(jié)果進(jìn)行拼接,最后利用Softmax 函數(shù),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化,求出每個(gè)詞對(duì)應(yīng)標(biāo)簽的概率,從而得到想要的標(biāo)注結(jié)果,達(dá)到實(shí)體識(shí)別的目的[27]。

        本文的數(shù)據(jù)提取以實(shí)體+活動(dòng)為例,具體流程如圖4所示。

        圖4 數(shù)據(jù)標(biāo)注識(shí)別流程

        首先將訓(xùn)練數(shù)據(jù)分類,分為實(shí)體標(biāo)注數(shù)據(jù)與句子分類標(biāo)注數(shù)據(jù),然后將其分別在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中進(jìn)行訓(xùn)練,得到實(shí)體識(shí)別的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與分類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。最后將實(shí)際數(shù)據(jù)輸入進(jìn)行識(shí)別。用于實(shí)體識(shí)別的數(shù)據(jù)需要將數(shù)據(jù)標(biāo)注成BIOE 形式,B表示實(shí)體的頭部,I 表示實(shí)體的中間部分,E 表示實(shí)體的尾部,O表示非實(shí)體數(shù)據(jù)。如:費(fèi)/B托/I/反/I應(yīng)/I器/E超/O溫/O,/O泄/O漏/O,/O遇/O點(diǎn)/O火/O 源/O 引/O 發(fā)/O 火/O 災(zāi)/O 爆/O 炸/O,/O 人/O 員/O中/O 毒/O 傷/O 亡/O。對(duì)于實(shí)體的活動(dòng)識(shí)別,需要整理活動(dòng)的類型,如超壓、超溫爆炸等,將每一條數(shù)據(jù)進(jìn)行按活動(dòng)類型標(biāo)注。如:費(fèi)托反應(yīng)器超溫,泄漏,遇點(diǎn)火源引發(fā)火災(zāi)爆炸標(biāo)注為超溫爆炸;然后構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練,從而達(dá)到實(shí)體+活動(dòng)識(shí)別的目的。

        以“費(fèi)托反應(yīng)器超溫,遇點(diǎn)火源引發(fā)火災(zāi)爆炸”該結(jié)果為例,通過(guò)標(biāo)注兩種數(shù)據(jù)(費(fèi)托反應(yīng)器、超溫爆炸)訓(xùn)練了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型后,實(shí)體識(shí)別網(wǎng)絡(luò)可以將句子中的實(shí)體識(shí)別出來(lái),再經(jīng)過(guò)分類網(wǎng)絡(luò)能將句子的活動(dòng)類型識(shí)別,從而達(dá)到實(shí)體識(shí)別與類型識(shí)別的目的,即上述例子識(shí)別結(jié)果為:費(fèi)托反應(yīng)器超溫爆炸。

        以某HAZOP 分析中一條記錄為例,如表1所示。

        該記錄描述了某汽提塔塔底溫度升高時(shí),可能的原因、后果、保護(hù)措施、建議措施、風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)等。對(duì)此條記錄進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,得到如圖5所示。

        圖5 一條標(biāo)準(zhǔn)化記錄

        2.2 基于知識(shí)本體與語(yǔ)義識(shí)別的HAZOP 分析系統(tǒng)

        基于上述方法,開發(fā)了基于知識(shí)本體與與語(yǔ)義識(shí)別的HAZOP分析系統(tǒng)。系統(tǒng)的界面如圖6所示。

        該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)包括以下兩部分。

        表1 某汽提塔單元HAZOP分析記錄

        圖6 基于知識(shí)本體與語(yǔ)義識(shí)別的HAZOP分析系統(tǒng)

        (1)對(duì)傳統(tǒng)HAZOP 分析結(jié)果進(jìn)行語(yǔ)義分析與識(shí)別,將分析記錄轉(zhuǎn)換為基于知識(shí)本體的標(biāo)準(zhǔn)形式進(jìn)行存儲(chǔ),實(shí)現(xiàn)了HAZOP 分析結(jié)果的自動(dòng)化、標(biāo)準(zhǔn)化,便于后續(xù)的復(fù)用與共享。

        (2)以存儲(chǔ)的歷史標(biāo)準(zhǔn)化信息為基礎(chǔ),抽提、識(shí)別歷史信息,對(duì)HAZOP 分析提供智能輔助。即對(duì)進(jìn)行的HAZOP 進(jìn)行決策支持,按照相關(guān)度、可能性等提供可能的偏差原因、后果、建議等,充分利用專家知識(shí),提高HAZOP分析的效率。

        3 案例研究

        以某廠油品合成裝置的HAZOP 分析為例,該裝置進(jìn)行了基于人工的HAZOP 分析,分析報(bào)告涵蓋了油品合成裝置中的費(fèi)托合成單元、催化劑還原單元、蠟過(guò)濾單元、尾氣脫碳單元、精脫硫單元、合成水處理單元、液體中間原料罐區(qū)單元、低溫油洗單元及除氧水及凝液精制站單元等共9 個(gè)單元。采用基于知識(shí)本體與語(yǔ)義識(shí)別的HAZOP 分析系統(tǒng)對(duì)報(bào)告對(duì)9 個(gè)單元102 個(gè)節(jié)點(diǎn)834 個(gè)分析記錄進(jìn)行了語(yǔ)義分析與識(shí)別,將其轉(zhuǎn)換為基于知識(shí)本體的標(biāo)準(zhǔn)形式進(jìn)行存儲(chǔ)。

        以節(jié)點(diǎn)83為例,該節(jié)點(diǎn)HAZOP分析結(jié)果如表2所示。

        此節(jié)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果如圖7所示。

        如圖中所示,系統(tǒng)將該節(jié)點(diǎn)的5條記錄進(jìn)行了識(shí)別,形成了標(biāo)準(zhǔn)化的表達(dá)。

        此外,該系統(tǒng)將存儲(chǔ)的歷史標(biāo)準(zhǔn)化信息為基礎(chǔ),抽提、識(shí)別歷史信息,對(duì)HAZOP 分析提供智能輔助。即對(duì)進(jìn)行的HAZOP 進(jìn)行決策支持,按照相關(guān)度、可能性等提供可能的偏差原因、后果、傳播路徑等等。進(jìn)行HAZOP 分析時(shí),根據(jù)輸入的變量與引導(dǎo)詞,系統(tǒng)根據(jù)歷史數(shù)據(jù)提示所有可能的原因、后果以及建議等,充分利用專家知識(shí),提高HAZOP分析的效率。

        表2 HAZOP分析結(jié)果

        圖7 HAZOP分析標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果

        4 結(jié)論

        針對(duì)傳統(tǒng)基于人工的HAZOP 分析結(jié)果以及計(jì)算機(jī)輔助的HAZOP 分析均存在的分析結(jié)果缺乏統(tǒng)一的表達(dá)形式,難于共享、復(fù)用等問(wèn)題,提出了基于知識(shí)本體的HAZOP信息標(biāo)準(zhǔn)化框架。

        該框架包含HAZOP 的標(biāo)準(zhǔn)化信息模型與HAZOP 信息標(biāo)準(zhǔn)化方法。HAZOP 標(biāo)準(zhǔn)化信息模型基于知識(shí)本體與IEC 61882構(gòu)建,給出了各個(gè)元素以及各個(gè)元素之間關(guān)系的定義,實(shí)現(xiàn)了HAZOP 信息的標(biāo)準(zhǔn)化表達(dá)。在此模型基礎(chǔ)上,提出了HAZOP 信息標(biāo)準(zhǔn)化方法,采用識(shí)別、分類算法對(duì)已有HAZOP 分析結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別、分析,實(shí)現(xiàn)了HAZOP 分析結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化。以該框架為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)開發(fā)了基于知識(shí)本體和語(yǔ)義識(shí)別的HAZOP 分析系統(tǒng),并將該系統(tǒng)應(yīng)用到某油品合成裝置的HAZOP 分析中。結(jié)果表明該框架可以有效地自動(dòng)實(shí)現(xiàn)分析結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)化,便于分析知識(shí)的表達(dá)、共享與復(fù)用。

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